量子精细丈量技能完成对微波场纳米级分辨率的重构

  中国科学技能大学杜江峰教授研讨团队在量子精细丈量范畴获得打破，使用金刚石中的固态电子自旋，世界上初次完成了室温大气下纳米级分辨率的微波场磁场重量矢量重构丈量。该作业以“High-resolutionvectormicrowavemagnetometrybasedonsolid-statespinsindiamond”为题宣布在世界重要学术期刊《天然·通讯》杂志上。

  微波是指波长在大约在1米至1毫米、对应频率在约300MHz到300GHz规模之间的电磁波，自19世纪末德国物理学家海因里希·赫兹初次发生微波信号以来，微波就被敏捷使用到军事国防、雷达通讯中，而且很快扩展到信息技能、导航、半导体器材等范畴，表现了一个国家的科学技能水平缓竞赛实力。微小型化、高度集成化的趋势，对微波丈量技能在更高的空间分辨率、灵敏度和矢量场的重构等方面提出了更火急的需求。例如，高度集成化的芯片根本单元--晶体管早已进入到数十纳米的标准，其特征微波场标准在纳米量级，矢量剖析有助于了解微波的传输和反射特性，协助剖析和提高器材功能。但是，在纳米标准上对这些微波器材进行原位检测是极具挑战性的。现在的冷原子、热原子蒸气等丈量办法均只达到了微米和毫米量级空间分辨率，且受限于低温或真空，使用有限。

  配图：试验原理示意图。激光用于丈量钻石探针的量子状况，读出拉比振动的频率。高频振动的电流在一根22微米直径（人的头发丝直径约为80微米）的铜丝中传输，发生了高频振动的微波磁场（红线代表磁感线），磁场穿过金刚石与大气的鸿沟，辐射至钻石探针上（黑色箭头）。

  杜江峰研讨团队奇妙地使用钻石中的氮-空位点缺点中的电子自旋（简称“钻石探针”）作为量子传感器，完成了对近场微波磁场矢量的重构丈量。钻石探针是一种含氮的晶体缺点，都会存在于金刚石单晶中，缺点中有两个未成对的电子，组成一个自旋为1的量子系统。在微波磁场的驱动下，电子自旋能够在两个量子状况之间振动，称为拉比振动。拉比振动频率与微波磁场的强度和矢量方向有关。研讨团队经过丈量电子自旋的拉比振动频率，并结合金刚石的单晶特性，奇妙地完成了对2.6000GHz线性极化微波磁场的丈量和矢量重构，空间分辨率达到了光学衍射极限（约230纳米），经过最大似然估量办法处理试验数据得到了5.6毫弧度的矢量视点精度和百万分之一特斯拉的矢量起伏精度。该空间分辨率现已逾越了冷原子和热原子蒸气办法，微波磁场勘探手法进入到纳米级标准。

  该试验为室温大气下高精度的微波近场丈量办法供给了一个新的试验手法。跟着有关技能的前进，丈量成果的精度和空间分辨率依然有进一步提高的空间，再结合扫描探针显微技能、强磁场技能，该办法将能够对频率规模从微波直到太赫兹波段、分辨率低至原子标准的微波磁场进行成像，为处理太赫兹波段缺少成像手法的现状供给新的思路。审稿人也指出：“这一技能能使用于太赫兹近场成像，将会是一个重要的使用点”，“毫无疑问是一个十分有价值的办法”。

  （物理学院、微标准物质科学国家试验室、量子信息与量子科技前沿立异中心、科研部）